[논문]석탄화력발전소 보일러 연소용 공기 제어알고리즘의 개발

임건표; 이흥호

doi:10.5370/kieep.2012.61.4.153

석탄화력발전소 보일러 연소용 공기 제어알고리즘의 개발
The Development of Boiler Combustion Air Control Algorithm for Coal-Fired Power Plant 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.61 no.4, 2012년, pp.153 - 160

임건표 (한전전력연구원) , 이흥호 (충남대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is written for the development of boiler combustion air control algorithm of coal-fired power plant by the steps of design, coding and test. The control algorithms were designed in the shape of cascade control for two parts of air master, forced draft fan pitch blade by standard function blocks. This control algorithms were coded to the control programs of distributed control systems under development. The simulator for coal-fired power plant was used in the test step and automatic control, sequence control and emergency stop tests were performed successfully like the tests of the actual power plant. The reliability will be obtained enough to apply to actual site if the total test has been completed in the state that all algorithms were linked mutually. It is expected that the project result will contribute to the safe operation of domestic power plant and the self-reliance of coal-fired power plant control technique.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 대용량 석탄화력 발전소 보일러 연소용 공기제어용 표준알고리즘을 개발하여 국산화 중인 분산제어시스템 프로그램에 맞게 코딩하여 탑재한 후 자동제어, 시퀀스 제어, 불시정지 등을 성공적으로 모의시험한 내용을 기록하였다[3～8]. 이 알고리즘은 다른 알고리즘과 함께 실제로 발전소에 설치, 운영할 분산제어시스템 전체에 설치하여 종합 모의시험을 완료한 후 발전소 주제어설비를 운영하는데 사용할 계획이다.
본 연구는 이제까지 외국기술로 제작, 설치되어 왔던 500MW급 분산제어시스템을 국산화 적용하기 위하여 정부에서 추진 중인 사업으로서, 성공적으로 추진되어 국내 발전소의 안정적인 운영과 화력발전기술의 국내자립에 기여할 것으로 기대한다.
발전소 자동제어시스템의 중요성이 점차 부각되고 있으나, 국내에서는 여전히 제어시스템 자체 및 기술을 대부분 외국 선진기술에 의존하고 있다. 이에 본 연구에서는 핵심기술의 자립 및 기간산업의 안정적 운영 측면에서 대용량 석탄화력발전소의 분산제어시스템에 적용할 수 있도록 국내기술로 하드웨어와 소프트웨어를 개발하고 있다. 최근까지 국내에서도 제어알고리즘을 개발하여 적용한 예는 빈번이 있었으나 대형 석탄화력발전소에 적용하기 위하여 분산제어시스템의 하드웨어와 소프트웨어를 동시에 개발하는 경우는 이번이 처음이다.

제안 방법

보일러 압력은 압입통풍기에서 공급하는 공기와 배기가스를 배출하는 유인통풍기가 상호 보완적인 평형통풍방식으로 제어하여 운전한다. 노내 가스압력이 증가할 경우 동익위치요구신호를 증가시키는 동작을 차단하며, 반대로 감소할 경우 위치요구신호를 감소시키는 동작을 차단하도록 하였다.
다음으로 압입통풍기 두 대 중 한 대가 불시에 정지되었을 경우를 시험하는 런백시험(Runback Test)를 시행하였다. 통풍기가 불시에 정지될 경우 불완전 연소로 남게 된 연료로 인한 설비고장이 발생할 수 있다.
보일러 열적 허용값(Thermal Release)에 비해 공기유량이 50%이상 적을시 동익을 개방하여 불완전 연소를 방지하는 보호기능을 구성하였다. 또한 자동수동 절환기 전단에 압입통풍기 위치귀환요구신호와 위치귀환신호간에 편차가 10%이내일 경우 위치귀환신호를 추종하여 빈번한 흔들림(Chattering)을 방지하여 제어설비를 보호하도록 하였다.
연소용 공기 제어 알고리즘은 다음과 같은 항목으로 구분하여 시험하였다. 보일러 마스터 2차 공기 요구량 신호 설정, 2차공기 요구량 보정, 산소보정신호를 적용한 공기 요구량, 2차 공기 요구량 자동/수동 절환기, 2차 공기 PI 제어기 등 그림 5, 6의 각 부분을 개별 시험하고 전체적인 알고리즘의 응동상태를 자동제어로직, 순차제어로직, 출력감발로 구분하여 시험 확인하였다.
보일러 열적 허용값(Thermal Release)에 비해 공기유량이 50%이상 적을시 동익을 개방하여 불완전 연소를 방지하는 보호기능을 구성하였다. 또한 자동수동 절환기 전단에 압입통풍기 위치귀환요구신호와 위치귀환신호간에 편차가 10%이내일 경우 위치귀환신호를 추종하여 빈번한 흔들림(Chattering)을 방지하여 제어설비를 보호하도록 하였다.
본 논문에서는 500MW급 석탄화력발전소 보일러 연소용 공기 제어알고리즘의 개발과정을 설계, 코딩, 시험 단계로 기록하였다. 시험단계에서 이미 개발한 500MW급 석탄화력 발전소 시뮬레이터를 사용하였으며, 기존 발전소에서 운영할 수 있을 정도의 자동제어, 순차제어, 비상정지 등을 시험하여 신뢰성을 입증하였다.
설계한 연소용 공기 제어 알고리즘은 자동제어로직, 순차제어로직으로 구성되어 있으며, 표준심볼로 제작하여 어느 시스템에도 코딩하여 적용할 수 있도록 하였다. 표준심볼로직은 그림 11과 같이 개발 중인 분산제어시스템에서 사용하는 스트라톤(Straton IEC61131-3 개발환경) 프로그램으로 코딩하였다[6～7].
입출력 신호 랙은 랩뷰(Labview) 프로그램으로 개발된 인터페이스 시스템이다[8]. 시뮬레이터는 제어모델과 공정모델이 연결되어 있으며 제어모델 중 연소용 공기 제어알고리즘 부분을 공정모델에서 분리한 후, 코딩한 연소용 공기 제어알고리즘이 설치된 분산제어시스템을 시뮬레이터에 하드 와이링(Hard Wiring)으로 연결하였다.
압입통풍기 #A, B 중 어느 하나가 수동으로 절체될 경우 바이어스는 운전원이 수동으로 조작할 수 있으며, 5%이상을 줄 경우 ±5% 범위로 제한되어 출력되는지를 확인하였다.
위에서 생성한 산소량 설정값은 배기가스 일산화탄소 보상(Flue Gas CO Compensation) 및 운전원 바이어스(Operation Bias)를 -12～12% 범위로 합산하여 운전원이 직접 가감할 수 있도록 하였다. 이 값은 운전원이 20～100%로 직접 입력하는 설정값(Operation Setpoint)과 최소 설정값 20%와 비교하여 최대값을 선택하여 최종 산소량 설정값을 결정한다.
그림 17에서 압입통풍기 #A가 정지하면서 압입통풍기 #B 동익이 열리면서 총 공기유량을 충분히 제어하여 급감한 총 공기유량을 총 연료량과 발전기 출력이 감소함에 따라 서서 감소하도록 제어하는 것을 볼 수 있다. 이때 1차공기 차 압은 적절히 되었으나 보일러 노내 압력은 정압쪽으로 많이 올라가 노내압력을 제어하는 유인통풍기 제어알고리즘을 추후 튜닝을 통해 안정적으로 제어할 수 있도록 해야 할 부분으로 판단하였다.
#A, B 모두 수동으로 절체될 경우 바이어스가 “0”으로 설정되는지를 확인하였다. 이러한 형태의 시험을 통해 코딩한 결과 및 개발한 기능블록(Function Block)이 제대로 동작하는지 여부, 파라미터 오류 등을 확인하였다.
이후 자동수동절환기에서는 압입통풍기 #A/B 수동모드시 타이백으로 실제 총 공기유량을 추종하도록 하였다. 자동수동절환기가 공기유량 PI 제어기(Air Flow Controller)의 전단에 위치하여 수동모드 운전시에도 제어 상태를 유지한다.
자동제어로직 시험, 순차제어로직 시험, 런백 시험을 통해 설계한 로직의 건전성을 확인하였다. 추후 분산제어시스템에 전체 알고리즘을 설치하여 종합시험을 통해 정밀튜닝을 시행할 수 있는 기반을 마련하였다.
자동제어로직 시험을 마무리하고 순차제어로직을 시험하였다. 순차제어로직은 압입통풍기 기동, 정지 로직, 동익 구동 작동유 펌프 제어로직, 작동유 히터 제어로직 등으로 구성되어 있다.

대상 데이터

시뮬레이터는 발전소 시뮬레이터 모델이 구동되는 시뮬레이션 서버, 다양한 사고상황을 투입하는 강사조작 컴퓨터, 시스템을 정비하고 각종 정보를 관리하기 위한 EWS, 실제 제어실과 같이 운전상황을 감시하고 조작하기 위한 운전정보표시반으로 구성되어 있다[7]. 시뮬레이터의 공정모델은 실행파일이 C++ 알고리즘인 쓰리키마스터(3Keymaster)를 사용하였다.
본 논문에서는 500MW급 석탄화력발전소 보일러 연소용 공기 제어알고리즘의 개발과정을 설계, 코딩, 시험 단계로 기록하였다. 시험단계에서 이미 개발한 500MW급 석탄화력 발전소 시뮬레이터를 사용하였으며, 기존 발전소에서 운영할 수 있을 정도의 자동제어, 순차제어, 비상정지 등을 시험하여 신뢰성을 입증하였다. 보일러 연소용 공기 제어 알고리즘은 하나의 분산제어시스템 패널을 구성하며, 다른 분산제어시스템과의 연동을 위하여 많은 신호를 연계한 종합시험을 완료하여야 한다.

이론/모형

시뮬레이터는 발전소 시뮬레이터 모델이 구동되는 시뮬레이션 서버, 다양한 사고상황을 투입하는 강사조작 컴퓨터, 시스템을 정비하고 각종 정보를 관리하기 위한 EWS, 실제 제어실과 같이 운전상황을 감시하고 조작하기 위한 운전정보표시반으로 구성되어 있다[7]. 시뮬레이터의 공정모델은 실행파일이 C++ 알고리즘인 쓰리키마스터(3Keymaster)를 사용하였다. 시뮬레이터에는 실제 발전소에 설치하게 될 제어알고리즘을 설치한 분산제어시스템을 통신을 통해 연결하여 시험할 수 있도록 그림 12의 입출력 신호 랙(IO Rack #1～3)을 구성하였다.

후속연구

현재 전체 분산제어시스템을 시뮬레이터와 신호선 및 통신으로 연계하여 종합시험을 진행 중에 있다. 아직은 루프 검증 단계를 진행하고 있어 정확한 시험 데이터를 얻을 수 없으나 루프 검증이 완료되어 시운전을 진행하게 되면 현장에 적용할 수 있을 만큼의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.
본 논문에서는 대용량 석탄화력 발전소 보일러 연소용 공기제어용 표준알고리즘을 개발하여 국산화 중인 분산제어시스템 프로그램에 맞게 코딩하여 탑재한 후 자동제어, 시퀀스 제어, 불시정지 등을 성공적으로 모의시험한 내용을 기록하였다[3～8]. 이 알고리즘은 다른 알고리즘과 함께 실제로 발전소에 설치, 운영할 분산제어시스템 전체에 설치하여 종합 모의시험을 완료한 후 발전소 주제어설비를 운영하는데 사용할 계획이다.
자동제어로직 시험, 순차제어로직 시험, 런백 시험을 통해 설계한 로직의 건전성을 확인하였다. 추후 분산제어시스템에 전체 알고리즘을 설치하여 종합시험을 통해 정밀튜닝을 시행할 수 있는 기반을 마련하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발전소 제어설비는 어떤 시스템을 사용하고 있는가?	최근 삼천포 화력발전소에서 외국제품으로 교체를 하였으며, 보령화력에서도 1개호기 교체를 완료하였다. 여전히 발전소 제어설비는 국외기술로 제작된 분산제어시스템을 사용하고 있다. 이에 유지정비가 외국기술에 상당히 의존적이며, 교체주기가 도래한 현 시점에서도 여전히 외국제품을 사용할 수밖에 없는 현실이다.
	발전소의 자동제어시스템의 역할은 무엇인가?	자동제어시스템은 전력계통의 전력요구에 따라 발전소를 신속하게 제어하고, 각종 설비들의 운전 상태를 감시하여 발전소를 안정적으로 운전하기 위한 핵심적인 역할을 수행한다[2]. 최근 발전소의 대용량화 및 고효율화에 따라 자동제어시스템은 점차 고도화되어 가고 있다.
	석탄화력발전소의 제어설비의 내용 수명은 얼마인가?	1994년경 국내 최초로 설치된 500MW급 석탄화력발전소를 비롯한 대용량 석탄화력발전소는 현재 국내 총 발전용량의 약 30%를 담당하고 있다. 기계설비는 설계수명이 30년 이상으로 여전히 사용연한 내에서 운전이 가능하나, 제어설비는 내용수명이 12년으로 사용연한을 초과하여 주기적인 정비와 교체를 시행하여 왔다[1]. 제어설비 교체주기는 일반적으로 일본의 경우 13년, 국내의 경우 17년 정도이다.

참고문헌 (8)

임건표, 최인규, 박두용, 정태원, 김건중, "500MW급 석탄화력발전소 보일러 급수펌프 유량 제어기 개발", 대한전기학회논문지, 제59권, 9호, pp. 1663, 2010. 9.
임건표, 김문수, 최인규, 박두용, 김호열, "모델 기반의 화력발전소 발전기 출력제어 프로그램 개발", 대한전기학회논문지, 제59권 3호, pp. 614, 2010. 3.
Paul W. Murrill, Ph.D., Fundamentals of Process Control Theory, Instrument Society of America, pp. 137, 2000.
임건표, 박두용, 이흥호, "주증기 유량에 의한 발전소 연소용 공기 유량제어", 한국조명전기설비학회 춘계학술논문지, pp. 192-193, 2011. 5.
SAM G. Dukelow, The Control of Boilers, 2nd Edition, The Instrumentation, Systems and Automation Society, pp. 65-72, 1991.
육심균, EWS Logic & Loop Drawing R0, 두산중공업, pp. 81, 2011
임건표, 박두용, 김종안, 이흥호, "발전소 보일러 급수 주제어 시스템의 개발", 대한전기학회논문지, 제61권 3 호, pp. 447, 2012. 3.

원문보기 상세보기
임건표, 김종안, 최인규, 유광명, 이흥호, "The Development of Primary Air Control Algorithm in 500MW Class Coal-Fired Power Plant", ICIS2011, 제 4권 pp. 174, 2011. 8.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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